April 7, 2017
Sotto l’oceano, massicce placche tettoniche convergono e macinano l’una contro l’altra, spingendo una sotto l’altra. Questa potente collisione, chiamata subduzione, è responsabile della formazione di archi vulcanici che sono la sede di alcuni degli eventi geologici più drammatici della Terra, come eruzioni vulcaniche esplosive e mega terremoti.
Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Advances cambia la nostra comprensione di come si formano le lave degli archi vulcanici, e può avere implicazioni per lo studio dei terremoti e i rischi di eruzione vulcanica.
I ricercatori guidati dal Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hanno scoperto un processo precedentemente sconosciuto che coinvolge la fusione di rocce metamorfiche intensamente miste – conosciute come rocce mélange – che si formano attraverso un alto stress durante la subduzione al confine tra lastra e mantello.
Fino ad ora, si è pensato a lungo che la formazione della lava iniziasse con una combinazione di fluidi provenienti da una placca tettonica in subduzione, o lastra, e sedimenti fusi che sarebbero poi percolati nel mantello. Una volta nel mantello, si sarebbero mescolati e avrebbero innescato un’ulteriore fusione, per poi eruttare in superficie.
“Il nostro studio mostra chiaramente che il modello prevalente di fusione fluido/sedimento non può essere corretto”, dice Sune Nielsen, un geologo del WHOI e autore principale del documento. “Questo è significativo perché quasi tutte le interpretazioni dei dati geochimici e geofisici sulle zone di subduzione negli ultimi due decenni si basano su questo modello”.
Invece, quello che Nielsen e il suo collega hanno trovato è che il mélange è in realtà già presente nella parte superiore della lastra prima che avvenga la miscelazione con il mantello.
“Questo studio mostra – per la prima volta – che la fusione del mélange è il motore principale di come la lastra e il mantello interagiscono”, dice Nielsen.
Questa è una distinzione importante perché gli scienziati usano misure di isotopi e oligoelementi per determinare la composizione delle lave ad arco e capire meglio questa regione critica delle zone di subduzione. Quando e dove avviene la miscelazione, la fusione e la ridistribuzione degli oligoelementi genera rapporti di firma isotopica molto diversi.
Lo studio si basa su un precedente documento del collega di Nielsen e co-autore Horst Marschall della Goethe University di Francoforte, Germania. Sulla base di osservazioni sul campo di affioramenti di mélange, Marschall ha notato che i blob di materiale di mélange a bassa densità, chiamati diapiri, potrebbero salire lentamente dalla superficie della lastra in subduzione e portare i materiali ben mescolati nel mantello sotto i vulcani ad arco.
“Il modello mélange-diapir è stato ispirato da modelli al computer e da un dettagliato lavoro sul campo in varie parti del mondo dove le rocce che provengono dall’interfaccia profonda slab-mantello sono state portate in superficie dalle forze tettoniche”, dice Marschall. “Abbiamo discusso il modello per almeno cinque anni, ma molti scienziati pensavano che le rocce di mélange non avessero alcun ruolo nella generazione dei magmi. Nel loro nuovo lavoro, Nielsen e Marschall hanno confrontato i rapporti di miscelazione di entrambi i modelli con i dati chimici e isotopici di studi pubblicati su otto archi vulcanici globalmente rappresentativi: Marianne, Tonga, Piccole Antille, Aleutine, Ryukyu, Scozia, Kurile e Sunda.
“La nostra analisi su larga scala mostra che il modello di miscelazione dei mélange si adatta quasi perfettamente ai dati della letteratura in ogni arco del mondo, mentre le linee prevalenti di miscelazione sedimento/fluido si allontanano molto dai dati reali”, dice Nielsen.
Comprendere i processi che avvengono nelle zone di subduzione è importante per molte ragioni. Spesso definite come il motore del pianeta, le zone di subduzione sono le aree principali in cui l’acqua e l’anidride carbonica contenute nei vecchi fondali marini vengono riciclate nelle profondità della Terra, giocando ruoli critici nel controllo del clima a lungo termine e nell’evoluzione del bilancio termico del pianeta.
Questi processi complessi si verificano su scale da decine a migliaia di chilometri nel corso di mesi e centinaia di milioni di anni, ma possono generare terremoti catastrofici e tsunami mortali che possono verificarsi in pochi secondi.
“Una grande frazione dei rischi vulcanici e sismici della Terra sono associati alle zone di subduzione, e alcune di queste zone si trovano vicino a dove vivono centinaia di milioni di persone, come in Indonesia”, dice Nielsen. “Capire le ragioni del perché e del dove si verificano i terremoti, dipende dal sapere o capire che tipo di materiale è effettivamente presente laggiù e quali processi avvengono.”
Il team di ricerca dice che i risultati dello studio richiedono una rivalutazione dei dati precedentemente pubblicati e una revisione dei concetti relativi ai processi della zona di subduzione. Poiché le rocce mélange sono state in gran parte ignorate, non si sa quasi nulla sulle loro proprietà fisiche o sulla gamma di temperature e pressioni a cui si fondono. Gli studi futuri per quantificare questi parametri sono in grado di fornire una comprensione ancora maggiore del ruolo del mélange nelle zone di subduzione e del controllo che esercita sulla generazione dei terremoti e sul vulcanismo della zona di subduzione.
Questo lavoro è stato finanziato da una sovvenzione della National Science Foundation Division of Earth Sciences.
La Woods Hole Oceanographic Institution è un’organizzazione privata, senza scopo di lucro a Cape Cod, in Mass. dedicata alla ricerca marina, all’ingegneria e all’istruzione superiore. Fondata nel 1930 su raccomandazione dell’Accademia Nazionale delle Scienze, la sua missione primaria è quella di comprendere l’oceano e la sua interazione con la Terra nel suo complesso, e di comunicare una comprensione di base del ruolo dell’oceano nel cambiamento dell’ambiente globale. Per maggiori informazioni, visitate www.whoi.edu.